軌道交通新型連續(xù)U梁設(shè)計(jì)研究

黃振興

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

軌道交通新型連續(xù)U梁設(shè)計(jì)研究

黃振興

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

針對常規(guī)大跨軌道交通連續(xù)結(jié)構(gòu)與簡支U梁連接段的不匹配問題，提出了一種集連續(xù)箱梁橋與U型梁于一體的新型連續(xù)U梁結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有較大的跨越能力，且實(shí)現(xiàn)了與常規(guī)U梁的平順連接，提升了軌道交通高架線路的景觀效果。通過建立ANSYS三維實(shí)體有限元模型，對新型連續(xù)U梁截面的正應(yīng)力與剪應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析和討論，并采用Midas梁單元模型對某新型連續(xù)U梁的縱向預(yù)應(yīng)力鋼束布置進(jìn)行了研究。研究表明：新型連續(xù)U梁截面正應(yīng)力分布滿足平截面假定，可采用梁理論對其力學(xué)行為進(jìn)行分析，且該類型梁具有較好的力學(xué)特性和景觀效果，可廣泛應(yīng)用于軌道交通高架線路中。

軌道交通；連續(xù)U梁；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；分布規(guī)律

0 引言

簡支U梁作為軌道交通的常用結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于軌道交通高架結(jié)構(gòu)。近十年來，印度新德里、法國里爾和巴黎、迪拜、智利圣地亞哥、荷蘭鹿特丹等多個(gè)城市建立了以U型梁為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的軌道交通高架線[1]。近年來，我國上海、北京、廣州、臺北等城市也進(jìn)行了大量工程實(shí)踐[2,3]。

但簡支U型梁的跨徑較小，在跨越道路、河流的實(shí)際軌道交通工程中，一般采用具有較大跨越能力的連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)。但箱梁結(jié)構(gòu)形式與簡支U梁在外型上存在較大差別，致使結(jié)構(gòu)過渡效果較差。以上海軌道交通16號線為例，其大跨連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)與簡支U梁的連接見圖1。由圖1可知，盡管對大跨連續(xù)梁進(jìn)行了造型處理使欄板外形與U型梁基本一致，但在過渡墩頂仍采用端橫梁支撐簡支U梁，景觀效果很不協(xié)調(diào)。

目前，簡支U型梁在我國軌道交通中大量應(yīng)用。另外，軌道交通高架線路中也存在相當(dāng)數(shù)量的大跨結(jié)構(gòu)。以上海軌道交通17號線和10號線二期工程為例，主跨為50～70m的大跨結(jié)構(gòu)超過40余座，且均采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)。若能解決大跨軌道交通結(jié)構(gòu)與簡支U型梁間的過渡問題，對U型梁的普適性和通用性是一個(gè)極大的提高。為解決該問題，本文提出了一種集大跨連續(xù)箱梁橋與U型梁截面于一體的新型連續(xù)U梁結(jié)構(gòu)（見圖2），該新型結(jié)構(gòu)很好地解決簡支U型梁與大跨結(jié)構(gòu)的過渡問題，提升了結(jié)構(gòu)自身的景觀效果。

圖1 上海軌道交通16號線大跨度結(jié)構(gòu)與U型梁過渡方案

圖2 新型連續(xù)U梁與U梁過渡方案

但該新型大跨連續(xù)U型梁的截面形式是箱梁和U梁的結(jié)合體，其結(jié)構(gòu)力學(xué)行為和預(yù)應(yīng)力布置構(gòu)造上與常規(guī)箱梁結(jié)構(gòu)存在差別[4-6]。為此，本文以某跨徑為33m+55m+33m的連續(xù)U梁為工程背景，建立三維有限元模型，對其正應(yīng)力和剪應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了分析和討論。在此基礎(chǔ)上，對其預(yù)應(yīng)力鋼束布置方案進(jìn)行了研究。

1 連續(xù)U梁力學(xué)行為分析

1.1 連續(xù)U梁構(gòu)造簡介

該背景橋梁的橋跨布置見圖3，邊跨梁段分塊的三維示意見圖4。連續(xù)U梁寬度為11.12m；中支點(diǎn)截面梁高4.5m，跨中截面梁高1.95m寬，中間截面梁高按1.8次拋物線變化；全橋腹板厚度為常數(shù)，其中：中腹板厚度0.8m，箱室腹板厚度0.6m，U梁腹板厚度0.4m。

圖3 1/2主梁三維示意圖

圖4 邊跨節(jié)段三維示意圖

1.2 三維實(shí)體有限元模型

由圖3和圖4所示，該新型連續(xù)U梁結(jié)構(gòu)的截面是常規(guī)箱梁截面與U型截面的組合結(jié)構(gòu)，其力學(xué)特性較為復(fù)雜。為掌握其截面應(yīng)力分布規(guī)律，基于大型通用有限元軟件ANSYY14.0，采用2468個(gè)SOLID95單元，建立了該新型連續(xù)U梁結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型，見圖5。為便于研究改型結(jié)構(gòu)的力學(xué)本質(zhì)，建模過程中對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理的簡化，如將曲線外型的邊腹板簡化成直腹板。另外，由于軌道交通結(jié)構(gòu)的豎向剛度和強(qiáng)度要求，使得結(jié)構(gòu)的高度方向?yàn)橹饕芰Ψ较?，因而以下分析主要討論了梁高方向的?yīng)力分布特性。

圖5 ANSYS有限元模型

1.3 正應(yīng)力分布規(guī)律分析

平截面假定是梁結(jié)構(gòu)理論的基本假設(shè)之一，其定義為：垂直于桿件軸線的各平截面在桿件受拉伸、壓縮或純彎曲而變形后仍然為平面，且同變形后的桿軸線垂直[7]。根據(jù)這一假設(shè)，梁截面的正應(yīng)力在高度方向按線性規(guī)律分布。通過分析連續(xù)U梁截面的正應(yīng)力分布規(guī)律來研究傳統(tǒng)平截面假定對于該新型梁的有效性。

圖6 給出了自重作用下，中墩墩頂附近截面正應(yīng)力云圖。由該圖可知：正應(yīng)力在高度方向上呈線性分布，正應(yīng)力最大值出現(xiàn)在中腹板頂面，約為5MPa；最小值出現(xiàn)在梁底，約為-4MPa。為更為清楚地說明新型連續(xù)U梁斷面的力學(xué)特性，選擇中間腹板和邊腹板的中面L1和L2位置（見圖6）的應(yīng)力進(jìn)行研究，結(jié)果分別見圖7和圖8。

圖6 自重作用下中墩墩頂附近截面正應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖7 路徑L1正應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖8 路徑L2正應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖7 和圖8表明，中腹板（路徑L1）和邊腹板（路徑L2）正應(yīng)力沿高度方向基本上呈線性分布，即連續(xù)U梁截面滿足平截面假定，可采用傳統(tǒng)梁理論對該型結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析。

1.4 剪應(yīng)力分布規(guī)律分析

截面剪力分布也是也是評價(jià)梁結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的基本參數(shù)。通常普通箱梁在支座附近通過增厚腹板來滿足結(jié)構(gòu)的剪力要求，而連續(xù)U梁則是通過設(shè)置強(qiáng)勁的箱室邊腹板和中腹板來承受剪力，因此其剪應(yīng)力分布情況也值得關(guān)注。圖9示出了自重作用下，中墩墩頂附近截面剪應(yīng)力云圖。結(jié)果顯示剪應(yīng)力大小在-1～0.5MPa之間，且符合梁截面剪應(yīng)力分布規(guī)律[8]。

圖9 自重作用下，中墩墩頂附近截面剪應(yīng)力云圖(單位：MPa)

通過對截面指定區(qū)域的剪應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值積分，可以得到該區(qū)域剪力對于結(jié)構(gòu)剪力的貢獻(xiàn)率，進(jìn)而可研究該類結(jié)構(gòu)截面剪力的分布規(guī)律。如圖9所示，在墩頂截面上共劃分5個(gè)區(qū)域，分別為U梁邊腹板FQ1和FQ5、箱室邊腹板FQ2和FQ4以及中腹板FQ3。計(jì)算結(jié)果表明，在中墩墩頂截面中，U梁邊腹板剪力為 381.4kN，約占截面剪力的8.94%；箱室邊腹板剪力為1600.5kN，約為截面剪力的37.54%；中腹板剪力為1486.4kN，占截面剪力的34.86%。由此可知，截面剪力主要由箱室邊腹板和中腹板承受，所承受的剪力為截面剪力的91.06%，從而表明連續(xù)U梁的箱室邊腹板和中腹板為主要抗剪構(gòu)件，這與常規(guī)箱形截面的剪力分布特性一致。

2 連續(xù)U梁預(yù)應(yīng)力鋼束布置方案研究

基于上述力學(xué)特性分析可知，連續(xù)U梁可采用梁理論對其進(jìn)行整體分析。因而可用Midas中的梁單元來建立連續(xù)U梁三維有限元模型（見圖10）對其進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析。建模過程中考慮了懸臂拼裝的施工過程，在施工全過程分析基礎(chǔ)上，對其預(yù)應(yīng)力鋼束布置進(jìn)行研究。針對該類結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，提出了如圖11所示的預(yù)應(yīng)力鋼束的合理布置方案。由于中腹板較為厚實(shí)而邊腹板較為纖薄的截面特征，連續(xù)U梁的預(yù)應(yīng)力鋼束布置以中腹板為主，邊腹板為輔。同時(shí)，由于跨中和邊墩墩頂處箱室頂?shù)装搴隙橐坏奶攸c(diǎn)，底板合攏束與箱室頂板束應(yīng)得以合理布置。

圖10 MIDAS梁單元模型圖

對于上述預(yù)應(yīng)力鋼束布置，需要進(jìn)一步進(jìn)行截面驗(yàn)算，以確保該設(shè)計(jì)符合規(guī)范要求。驗(yàn)算工況見表1，驗(yàn)算結(jié)果表明，該新型連續(xù)U梁滿足現(xiàn)行規(guī)范的所有要求，即該結(jié)構(gòu)是安全可靠的，其預(yù)應(yīng)力鋼束的布置是合理的。限于篇幅僅示出部分驗(yàn)算結(jié)果。主力+附加力組合下，見圖12，梁體上緣應(yīng)力均為壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力為19.3MPa。如圖13給出該組合下梁體主拉應(yīng)力圖，其最大拉應(yīng)力為1.4MPa。圖14給出了列車靜載作用下的撓度曲線，最大撓度為15mm。

圖12 主力+附加力組合下，U型梁體上緣應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖13 主力+附加力組合下，U型梁體主拉應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖14 列車靜載下U型梁最大撓度（單位：mm）

3 結(jié)論

通過對某連續(xù)U梁進(jìn)行三維有限元計(jì)算和分析，研究了新型連續(xù)U梁的應(yīng)力分布規(guī)律，據(jù)此對其預(yù)應(yīng)力鋼束布置方案進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

（1）連續(xù)U梁截面的正應(yīng)力呈線性分布，滿足梁結(jié)構(gòu)的平截面假定，可采用基本梁理論對該類型梁結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)行為進(jìn)行分析；

（2）連續(xù)U梁截面的剪應(yīng)力主要由箱室邊腹板和中腹板承擔(dān)，外側(cè)U型梁的兩個(gè)邊腹板的剪應(yīng)力很小，其規(guī)律基本與常規(guī)箱形梁橋一致；

（3）以中腹板為主、邊腹板為輔的原則進(jìn)行新型連續(xù)U梁預(yù)應(yīng)力鋼束的布置符合該類結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特點(diǎn)，且能實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力鋼束的合理布置；

（4）該新型大跨連續(xù)U梁具有較好的力學(xué)行為和景觀效果，可廣泛應(yīng)用于軌道交通高架線路中。

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U443.3

：A

：1009-7716（2017）02-0106-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.02.032

2016-11-15

黃振興（1987-），男，江蘇無錫人，工程師，從事大跨度橋梁設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)力學(xué)行為研究工作。